流體力學(xué)與流體機(jī)械課件：12-第十二章 離心泵

1、離 心 式 水 泵 和 風(fēng) 機(jī)概 述離心泵和風(fēng)機(jī)的工作原理和基本構(gòu)造離心泵和風(fēng)機(jī)的基本性能參數(shù)離心泵和風(fēng)機(jī)的基本方程式離心泵和風(fēng)機(jī)的性能曲線離心泵和風(fēng)機(jī)裝置的工況相似律和比轉(zhuǎn)數(shù)相似定律的應(yīng)用泵與風(fēng)機(jī)的聯(lián)合工作離心泵吸水條件和汽蝕泵與風(fēng)機(jī)的選擇1流體機(jī)械概述在工程中的作用和地位流體輸送機(jī)械 為流體提供能量的機(jī)械。 泵 輸送液體機(jī)械； 風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī) 輸送氣體機(jī)械。應(yīng)用廣泛、與人們的生活密不可分。工業(yè)給水、生活用水、電廠冷卻水、鍋爐給水、工業(yè)廢水、生活廢水以及采暖、供熱、通風(fēng)等輸、排送及循環(huán)。發(fā)展簡(jiǎn)況大容量化、高轉(zhuǎn)速化、高效率化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化。2水泵按作用原理分三類:1.葉片式水泵利用裝有葉片的葉

2、輪,在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)完成對(duì)液體的輸送。屬于這一類的主要有離心泵、軸流泵、混流泵等。 2.容積式水泵依靠改變泵體工作室的容積來(lái)達(dá)到輸送液體的目的。有活塞式往復(fù)泵、柱塞式往復(fù)泵、轉(zhuǎn)子泵等。.其它類型水泵把不屬于上述兩類的水泵全部歸納為本類。主要有螺旋泵、射流泵（又稱水射器）、水錘泵、水輪泵、氣升泵等。 3 圖 葉片式泵結(jié)構(gòu)示意圖（a）離心泵示意圖 1葉輪；2壓出室；3吸入室；4擴(kuò)散室 （b）軸流泵示意圖 1葉輪；2導(dǎo)流器；3泵殼（c）混流泵示意圖 1葉輪；2導(dǎo)葉4離心泵的分類按吸水方式可分為單面吸水泵（葉輪一面進(jìn)水）和雙面吸水泵（葉輪兩面進(jìn)水）；按裝置方式分為臥式泵（泵軸水平安裝）和立式泵（泵軸豎直安

3、裝）；按葉輪級(jí)數(shù)分為單級(jí)泵（單個(gè)葉輪）和多級(jí)泵（多個(gè)葉輪串聯(lián)）；按輸送水質(zhì)分為清水泵、污水泵和耐腐蝕泵；5離心泵的工作原理工作原理離心力的作用水泵的連續(xù)工作：1.葉輪內(nèi)充滿液體；2.在離心力的作用下，高速流體在渦形通道截面逐漸增大，動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，液體獲得較高的壓力，進(jìn)入壓出管;3. 葉輪中央液體被離心力甩向外部，產(chǎn)生真空，因此在水源水面大氣壓的作用下，水就通過(guò)吸水管進(jìn)入進(jìn)水口，或者說(shuō)水從進(jìn)水口“吸”進(jìn)來(lái)。6 圖 單級(jí)單吸臥式離心泵 1葉輪；2泵軸；3鍵銷；4泵殼；5泵座；6灌水孔；7放水孔；8接真空表孔；9接壓力表孔；10泄水孔；11填料盒；12減漏環(huán)；13軸承座；14壓蓋調(diào)節(jié)螺栓；15傳

4、動(dòng)輪 7離心泵的基本構(gòu)造1.葉輪 一般可分為單吸式葉輪和雙吸式葉輪兩種。通常大流量的離心泵大都采用雙吸式葉輪。 圖 單吸式葉輪 圖 雙吸式葉輪1前蓋板；2后蓋板；3葉片；4葉槽； 1吸入口；2輪蓋；3葉片；5吸水口；6輪轂；7泵軸 4輪轂；5軸孔8按其蓋板型式分類: 圖 葉輪形式（a）封閉式葉輪；（b）敞開(kāi)式葉輪（c）半開(kāi)式葉輪封閉式兩側(cè)都有蓋板，適用于輸送潔凈水的清水泵； 半開(kāi)式只有一塊蓋板 敞開(kāi)式無(wú)完整的蓋板 沒(méi)有封閉的流道，它們的特點(diǎn)是雜物不容易堵塞流道，且易檢修和去除污物，適用于抽送泥漿、污水等含有雜物的液體。 92泵體通常做成蝸殼形。蝸殼內(nèi)部的流道，從隔舌起順著葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，水流斷

5、面逐漸增大，泵體也稱泵殼 。3泵軸帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)的部件，它通過(guò)鍵銷來(lái)帶動(dòng)。而泵軸則由電動(dòng)機(jī)等來(lái)驅(qū)動(dòng)。4軸承套在泵軸上支撐泵軸的部件。單級(jí)單吸離心泵在吸水端沒(méi)有軸承支撐，成為懸空的，所以又稱為懸臂式離心泵。單級(jí)單吸臥式離心泵 1葉輪；2泵軸；3鍵銷；4泵殼；5泵座；6灌水孔；7放水孔；8接真空表孔；9接壓力表孔；10泄水孔；11填料盒；12減漏環(huán)；13軸承座；14壓蓋調(diào)節(jié)螺栓；15傳動(dòng)輪 105密封環(huán)起密封作用。在葉輪（轉(zhuǎn)動(dòng)部分）進(jìn)口外緣和泵殼（固定部分）內(nèi)緣之間必然有間隙。為了既要保持較小的間隙，盡量減少漏水損失，同時(shí)又不致磨損泵殼或葉輪。又稱減漏環(huán)6填料函在泵軸和泵殼之間必然存在有間隙，為了防

6、止泵內(nèi)的水漏出泵外或泵外的空氣漏進(jìn)泵內(nèi)，在泵殼與泵軸之間，設(shè)置密封裝置，叫做填料函或培根箱。為了使填料堵的緊密，在填料外面還要加一壓蓋，通常松緊控制使泵軸既能較輕松地轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又只有微量滴水。117軸向力平衡措施單吸式離心泵，由于其葉輪不對(duì)稱，所以在工作時(shí)葉輪兩側(cè)的壓力不相等，形成了指向吸入端的軸向推力。采用專門的軸向力平衡裝置來(lái)解決。否則會(huì)引起泵軸和葉輪的軸向竄動(dòng)，導(dǎo)致零部件的磨損，引起震動(dòng)和噪音。要消除這個(gè)軸向推力，在葉輪后蓋外側(cè)安裝上密封環(huán)，同時(shí)在后蓋板上開(kāi)平衡孔。后蓋外側(cè)的水經(jīng)密封環(huán)后壓力下降，并經(jīng)平衡孔流回葉輪中去，使葉輪后蓋板上的壓力與前蓋板接近，剩下的軸向力由止推軸承承受，從而使

7、軸向力得以平衡。 圖 軸向推力 1排出壓力；2加裝的減漏環(huán)； 3平衡孔； 4泵殼上的減漏環(huán)12離心泵的基本性能參數(shù) 1.流量-水泵在單位時(shí)間內(nèi)所輸送液體的體積，以符號(hào)Q表示。 m3/h; 2.揚(yáng)程-單位重量液體通過(guò)水泵后其能量的增值，即單位能的增值。以符號(hào)H表示. m.13水泵揚(yáng)程的確定當(dāng)設(shè)計(jì)新建輸水系統(tǒng)，所需要的水泵揚(yáng)程為: 式中：H0 靜揚(yáng)高；hw1 吸水管的水頭損失；hw2 壓水管的水頭損失；hw 吸、壓水管的水頭損失之總和。 14對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)中的水泵，所需揚(yáng)程H為 如果p1為真空度，p1則為負(fù)值，hW = 0，v1=v2，h=0。15離心泵的基本性能參數(shù)3軸功率-原動(dòng)機(jī)輸送給水泵的功率，以

8、符號(hào)N表示，常用單位為千瓦。有效功率-水泵傳輸給液體的功率。有效功率通常以符號(hào)Nu表示，計(jì)算公式：4效率水泵的有效功率與軸功率之比值； 水泵的軸功率：16離心泵的基本性能參數(shù)5轉(zhuǎn)速水泵葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以n表示，轉(zhuǎn)/分鐘。各種水泵都按一定的轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，如果使用時(shí)水泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速不同于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，則水泵的其它性能參數(shù)（如流量Q、揚(yáng)程H、軸功率N等）也將會(huì)按一定的規(guī)律變化。6允許吸上真空高度水泵在標(biāo)準(zhǔn)狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，水泵所允許的最大吸上真空高度。以HS表示，米水柱。氣蝕余量指水泵進(jìn)口處，單位重量液體所具有超過(guò)飽和蒸汽壓力的富裕能量。以HSV表示，米水柱。17離心式清水泵型號(hào) 12Sh-28A 轉(zhuǎn)數(shù)

9、 1450轉(zhuǎn)/分 揚(yáng)程 10米 效率 78% 流量 684米3/小時(shí) 軸功率 23.9千瓦 允許吸上真空高度 4.5米 重量 660公斤 出廠編號(hào) 出廠日期 生產(chǎn)廠家銘牌上型號(hào)12Sh-28A的意義：12吸水口直徑為12英寸。Sh單級(jí)雙吸臥式離心清水泵。28比轉(zhuǎn)數(shù)被10除的整數(shù)，即比轉(zhuǎn)數(shù)為280左右。A表示該水泵的葉輪已經(jīng)切削小了一檔。 18國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2825IS8065160，其意義為IS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單級(jí)單吸清水離心泵。80水泵吸入口直徑（mm）。65水泵出口直徑（mm）。160水泵葉輪名義直徑（mm）。19離心泵的基本方程式液體在離心泵中的運(yùn)動(dòng)，可分解為兩種運(yùn)動(dòng)速度。牽連速度隨著葉輪旋轉(zhuǎn)而

10、旋轉(zhuǎn)的速度，用u表示；相對(duì)速度相對(duì)于葉輪的速度，用W表示。絕對(duì)速度液體相對(duì)于固定的泵殼的運(yùn)動(dòng)速度，是兩個(gè)速度的合成，用C表示。20液體牽連速度方向和葉輪上的圓周切線方向一致，液體相對(duì)速度方向和葉片方向相切，而液體絕對(duì)速度的方向則為牽連速度和相對(duì)速度合成速度的方向?？梢岳L制水泵葉輪中任何一個(gè)位置上的液體速度三角形，最有用的是液體在葉輪進(jìn)口和出口的速度三角形。其中，足標(biāo)“1”表示葉輪進(jìn)口，“2”表示葉輪出口。 21根據(jù)出水角 的大小不同，可分為三種類型:當(dāng) 90時(shí)，葉片與旋轉(zhuǎn)方向呈前彎式；當(dāng) =90時(shí)，葉片與旋轉(zhuǎn)方向呈徑向式；當(dāng) 90時(shí)，葉片與旋轉(zhuǎn)方向呈后彎式。 角的大小反映了葉片的彎度，是構(gòu)成葉

11、片形狀和葉片性能的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。在實(shí)際工程中，使用的葉片大多為后彎式葉片。22離心泵基本方程式的 推 導(dǎo)三個(gè)假定：1.液流是恒定流。2.液流為理想液體。3.葉片厚度為無(wú)窮薄，葉片的數(shù)量為無(wú)窮多。動(dòng)量矩定律控制體上所受的合力對(duì)某一點(diǎn)的力矩等于單位時(shí)間內(nèi)流出和流入該控制體的動(dòng)量對(duì)該點(diǎn)的力矩之差。 23下標(biāo)T表示理想情況下的參數(shù)離心泵的基本方程式，也稱歐拉方程 由于:得到:代入:24基本方程式的討論1.為了使水泵的揚(yáng)程最大，應(yīng)使C1u=0。即進(jìn)口處液體必須徑向流入葉輪即 ，2.理論揚(yáng)程HT的大小取決于圓周速度u2和切向速度C2u， 增大葉輪直徑D2，提高轉(zhuǎn)速n，減小 ， 都可以提高離心泵的揚(yáng)程。水泵

12、制造廠一般選用615。25基本方程式的討論離心泵的理論揚(yáng)程與被輸送介質(zhì)的容重?zé)o關(guān)，即同一臺(tái)離心泵，輸送不同的流體，所產(chǎn)生的理論揚(yáng)程值是完全一樣的。但水泵所消耗的功率卻是不相同的。流體容重越大，水泵消耗的功率也越大。因此，當(dāng)輸送流體的容重不同，而理論揚(yáng)程相同時(shí)，原動(dòng)機(jī)所須供給的功率消耗是完全不相同的。26基本方程式的討論水泵的揚(yáng)程是由兩部分組成，一部分為勢(shì)揚(yáng)程（H1），另一部分為動(dòng)揚(yáng)程（H2)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能過(guò)程中，伴有能量損失，因此，動(dòng)揚(yáng)程在水泵總揚(yáng)程中所占比例越小，泵內(nèi)部的能量損失也就越小，水泵的效率就越高。27基本方程式的修正 假定與實(shí)際的差異基本方程式是基于三個(gè)假定而導(dǎo)

13、出的，與實(shí)際流動(dòng)存在差異。實(shí)際葉輪的葉片數(shù)通常為212片。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，流道中的液流由于慣性，有保持原來(lái)狀態(tài)的趨勢(shì)，即有相對(duì)于葉輪作反向旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。同時(shí)葉片的兩側(cè)還存在著壓強(qiáng)差。所在流道中就形成 反旋現(xiàn)象，流道中的液流 不可能保持均勻一致，所 以同半徑處的同名速度不 完全相等。28修正后的理論揚(yáng)程為 ，它與原理論揚(yáng)程之間的關(guān)系為： 式中，p為修正系數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)公式確定。由于實(shí)際液體在流動(dòng)時(shí)會(huì)有水力損耗（如葉輪進(jìn)、出口的沖擊，葉槽中的紊動(dòng)，彎道和摩阻損失等），因此水泵的實(shí)際揚(yáng)程應(yīng)為： 其中， 稱為水力效率（%）。29離心泵的特性曲線一、離心泵的理論特性曲線在轉(zhuǎn)速n一定時(shí)，HT、NT、與QT的關(guān)系曲

14、線。 HTQT性能曲線HTQT30離心泵的特性曲線NTQT性能曲線 NTQT31 離心泵的特性曲線二、離心泵的實(shí)際特性曲線 當(dāng)轉(zhuǎn)速n一定時(shí) 考慮了水力損失、容積損失和機(jī)械損失H、N、 與Q的關(guān)系曲線 最高效率點(diǎn)為工作點(diǎn)32性能曲線的比較QH性能曲線形狀大致有兩種(駝峰型由于工作的不穩(wěn)定應(yīng)盡量避免)較平坦的-流量變化大而揚(yáng)程變化小. 可用于自來(lái)水廠二級(jí)泵站。 較陡降的-揚(yáng)程變化大而流量變化小， 可用于自來(lái)水廠一級(jí)泵站。HQ33 離心泵裝置的工況一、管路系統(tǒng)特性曲線34 二、離心泵裝置的工況點(diǎn)（圖解法）QH泵特性曲線管路特性曲線工作點(diǎn)MHMQM35離心泵裝置的工況點(diǎn)的變化離心泵裝置的工況點(diǎn)，是建立

15、在水泵和管道系統(tǒng)能量平衡上。而一旦這種平衡關(guān)系被破壞，則離心泵裝置的工況點(diǎn)也必然會(huì)改變。工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)從兩方面考慮：1. 改變管道性能曲線水位變化、閥門調(diào)節(jié)等2. 改變水泵性能曲線改變水泵轉(zhuǎn)速、切削葉輪等。利用水泵出水閥門進(jìn)行工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)，稱閥門調(diào)節(jié)。是一種作為臨時(shí)性或小型泵調(diào)節(jié)的常用方法 36水泵相似律 一、水泵葉輪相似的條件 幾何相似相似泵的各對(duì)應(yīng)尺寸成同一比例，且相應(yīng)的葉片傾斜角相等。 式中 任一線性尺寸的比例尺； D1、D2、b 為實(shí)際泵的葉輪內(nèi)徑、外徑及寬度； D1m、D2m、bm 為模型泵的葉輪內(nèi)徑、外徑及寬度。37運(yùn)動(dòng)相似相似泵的兩葉輪對(duì)應(yīng)點(diǎn)上水流的同名 速度方向一致，大小成比例。

16、即兩水泵對(duì)應(yīng)的速度三角形相似。38相 似 定 律相同效率在相似工況下，兩泵性能參數(shù)之間的關(guān)系稱為相似定律。1流量之比：流量之比與轉(zhuǎn)速的一次方及葉輪直徑的三次方成正比。2揚(yáng)程之比：揚(yáng)程之比與轉(zhuǎn)速和葉輪直徑的平方成正比。3軸功率之比：軸功率之比與轉(zhuǎn)速的三次方及葉輪直徑的五次方成正比。 39比轉(zhuǎn)數(shù)ns比轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)水泵葉輪進(jìn)行分類比轉(zhuǎn)數(shù)的意義：在最高效率下，將水泵的幾何尺寸按比例縮小，有效功率Nu=1馬力，揚(yáng)程Hm=1m，流量Qm=75Nu/Hm=0.075m3/s，這時(shí)模型泵的轉(zhuǎn)數(shù)就稱為比轉(zhuǎn)數(shù)各變量的單位為： n轉(zhuǎn)/分；Qm3/s；Hm。應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意：1Q、H為最高效率時(shí)的參數(shù)，即設(shè)計(jì)工況點(diǎn)；2Q、H是

17、指單級(jí)、單吸泵的參數(shù)。若為多級(jí)泵，如四級(jí)泵，則揚(yáng)程應(yīng)取H/4；若為雙吸泵，流量應(yīng)取Q/2。 40例 已知12sh-13型泵，額定參數(shù)為：Q=220L/s，H=32.2m，n=1450轉(zhuǎn)/分，試核算其比轉(zhuǎn)數(shù)ns。例 一臺(tái)D型多級(jí)泵，葉輪級(jí)數(shù)為8級(jí)，已知最高效率時(shí)Q=280m3/h，H=520m，n=1450轉(zhuǎn)/分，求比轉(zhuǎn)數(shù)ns。解： 泵的單級(jí)揚(yáng)程為，所以有： 解： 由于是雙吸式水泵，所流量應(yīng)取Q/2=110L/s，41比轉(zhuǎn)數(shù)的意義比轉(zhuǎn)數(shù)ns小，表示流量Q小，揚(yáng)程H大；ns大，則表示Q大，H小。 如12sh-6和12sh-28，前者比轉(zhuǎn)數(shù)ns=60，后者為280，由于進(jìn)口直徑一樣，流量差不多一樣大

18、。根據(jù)前者比轉(zhuǎn)數(shù)比后者小，應(yīng)該前者的H大，后者的H小。查樣本可知，H1=90m，H2=12m。根據(jù)比轉(zhuǎn)數(shù)的大小，對(duì)葉片泵進(jìn)行分類： ns=50350，為離心泵； ns=350500，為混流泵； ns=5001200，為軸流泵。 4243比轉(zhuǎn)數(shù)的意義比轉(zhuǎn)數(shù)ns的不同，還能反映水泵特性曲線的形狀不同。曲線：隨著ns的增大，曲線逐漸變陡。44QN曲線：隨著ns的增大，曲線逐漸平坦，但ns大到一定數(shù)值時(shí)，曲線重新變陡。所以，ns小的葉片泵，為避免啟動(dòng)電流過(guò)大，應(yīng)閉閘啟動(dòng)。Q曲線：比轉(zhuǎn)數(shù)ns小，曲線平坦，高效區(qū)寬，經(jīng)濟(jì)性能好。而比轉(zhuǎn)數(shù)ns愈大，高效區(qū)愈窄。45 離心泵相似律的應(yīng)用 比例定律：兩臺(tái)泵幾何尺

19、寸一樣，或同一臺(tái)泵46切削葉輪改變泵的性能切削調(diào)節(jié)沿外徑車小水泵的葉輪，可以改變水泵 的性能曲線，擴(kuò)大水泵的使用范圍。切割定律：切削量47離心泵并聯(lián)工作 并聯(lián)工作幾臺(tái)水泵向一條公共管道供水 特點(diǎn)：增加供水量；增強(qiáng)供水可靠性；調(diào)節(jié)水量方便。并聯(lián)工作計(jì)算規(guī)則：流量規(guī)則：Q并=Q1+Q2；揚(yáng)程規(guī)則：H并=H1=H2。48水泵并聯(lián)運(yùn)行的效率并聯(lián)臺(tái)數(shù)過(guò)多會(huì)使工作點(diǎn)移出水泵的高效區(qū)范圍 49離心泵串聯(lián)工作串聯(lián)工作后一臺(tái)水泵的吸水管接在前一臺(tái)水泵的 壓水管上。特點(diǎn)：增加揚(yáng)程，有時(shí)還可增加流量。串聯(lián)工作計(jì)算規(guī)則：流量規(guī)則：Q串=Q1=Q2；揚(yáng)程規(guī)則：H串=H1+H2。多級(jí)泵多個(gè)葉輪 串聯(lián)起來(lái)的水泵。50 離心

20、泵汽蝕現(xiàn)象汽蝕現(xiàn)象葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，如進(jìn)口處的壓強(qiáng)降到等于或小于液體汽化壓強(qiáng)時(shí)，就會(huì)有蒸汽及溶解在液體中的氣體大量逸出，形成許多由蒸汽和氣體混合的小氣泡。并隨液體流到高壓區(qū)時(shí)，氣泡受壓會(huì)突然破裂，液體質(zhì)點(diǎn)從四周向氣泡中心作加速運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)互相撞擊。形成強(qiáng)烈地局部水擊現(xiàn)象，瞬間的局部水擊壓力可達(dá)數(shù)十MPa。若這種撞擊在金屬表面的附近發(fā)生，就會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生頻率高、壓力大的水擊作用。導(dǎo)致葉輪表面產(chǎn)生腐蝕，出現(xiàn)蜂窩狀的麻點(diǎn)和孔洞。汽蝕危害汽蝕產(chǎn)生時(shí)，水泵將有很大的噪音和震動(dòng)，水泵性能明顯變壞，流量Q、揚(yáng)程H、效率急劇下降，甚至抽不上水。51 離心泵的安裝高度離心泵的安裝高度HSS1.允許吸上真空度HS 52 Hs的校正 如果水泵不在標(biāo)準(zhǔn)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，必須根據(jù)變化了的實(shí)際條件把HS值進(jìn)行修整。 ha 實(shí)際大氣壓；m；ht 實(shí)際溫度下水的汽化壓力；m HS 水泵廠給定的允許吸上真空高度； m HS 修正后的允許吸上真空高度； m532. 氣蝕余量h54例題：某離心泵在樣本中查得允許吸上真空度為6m，現(xiàn)將泵安裝在海拔高度500m處，水溫40度，問(wèn)（1）修正后的Hs?（2）若吸入管路壓頭損失為1m，流速水頭為0.2m，該泵安裝在離水面4m高處是否合適？解： 水40，ht = 0.75mH2o, 500 m處 ha = 9.70 mH2O， Hs=Hs - (10.33 -ha) - (ht -